从一架飞机到另一架飞机的转接系统

技术领域：

本发明涉及一种基于飞机的通信系统，本发明具体一种在基于飞机的无线通信系统中实施从一架飞机到另一架飞机下文简称为“飞机到飞机”的转接(Planeto plane switchover)系统和技术。

本发明的技术背景：

在边远的和地理上分散的地区对无线网络和通信容量的日益增长的需求业已对无线系统和无线服务行业提供巨大的销路。许多这类新的服务行业经办者已经顿悟地把他们资源聚焦到尽量多建设天线塔和尽量多地设置和经办地面基站。这种策略为无线系统经营者不仅扩大了系统的通信服务的覆盖区域而且以建设和经办这些基站设施所需时间而限定的速率产生着效益。然而，基站建设不仅速度仍然很慢而且昂贵。

现在还存在许多地理区域不能得到通过天线塔和地面基站所提供的各种无线通信业务。这样的区域通常称为绿田区域。为这些绿田区域内的用户提供无线通信业务有几种选择方案，其中包括但不限于设置天线塔和地面基站，用于由一架在上空飞行的飞机所提供的通信服务和由一个卫星星座所提供的通信服务。

由于各种基于飞机的无线通信系统在主要设备方面它们的投资较低和完成实施的前期投入时间较短，因而现已成为重点考虑的对象，基于飞机的无线通信系统与基于天线塔的陆地通信系统相比具有一个显著的优点，即一个单(飞)机和基站能够代替许多天线塔并且仍然覆盖很大的地理区域。尚且，飞机几乎对处于通信波束的覆盖区内的每个用户都能保持视线通信。可是基于飞机的无线通信系统还有一个缺点，由于飞机必须加油和机组人员必须轮换，因而飞机只能在有限的时间内对服务区提供覆盖。

鉴于对陆地无线通信系统的各种已知挑战，人们希望提供一种可以消除对附加的和昂贵的陆地天线系统及需求的基于飞机的通信系统，人们还希望提供一种能与现有无线通信系统收发信机基站相兼容的基于飞机的无线通信系统。为了实现上述目标，希望实施一种能够在两架飞机飞行时执行从一架服务飞机至另一架替换飞机的实时通信会话的转接的系统和技术。据此，本发明的一个优点是在执行“飞机到飞机”转接协议期间，可使陆地系统用户所经历的服务过程中的任何下线的呼叫或中断减至最低程度。

附图的简要说明：

本领域的技术人员参照下以附图阅读下文的描述和后附的 书将会对本发明的许多优点一目了然。

图1示出本发明的无线通信系统的各部件在正常稳定状态操作期间的示意图；

图2示出本发明的无线通信系统在准备从服务飞机到替换飞机的通信转接期间工作的示意图；

图3示出本发明的无线通信系统在执行通信转接协议期间的示意图；

图4示出本发明的无线通信系统在完成通信转接协议后的示意图；

图5示出执行通信转接协议步骤的流程图；

图6示出通信硬件的方框图，其内包括每架飞机的有效荷载(payload)。

优选实施例的详细描述

参照图1，该图示出根据本发明优选实施例的基于飞机的通信系统10。通信系统10是一种蜂窝通信系统，通常称为“无线通信系统”。如图所示，无线通信系统10包括一个主用或正服务的飞机12，它配备有适当的通信硬件，用于向预定的地理区域20广播通信信号16。该通信信号16最好是无线通信波束图型(pauern)内含多个精密聚焦的各别波束22，各波束22可以由多个无线通信设备诸如无线手机24接收。

参照图2，通信系统10还包括一个辅用或替换的飞机14，它也有向预定的地理区域20广播通信信号18的能力。该通信信号18最好也是无线通信波束图型，内含多精密聚焦的各别波束22，该波束也可以由一个或多个无线手机24接收。主用通信信号16具有由实线圈26表示的波束图型，而辅用通信信号18具有由虚线圈28表示的波束图型。

参照图1和图2，地面通信系统30代表了与大多数地的无线通信系统有关的现有通信硬件。如图所示，通信系统30包括：一个收发信机基站(BTS)32，其内含有一个主接收机34、一个分集接收机36和一个发送机38。该BTS 32在飞机12、14与陆地通信网络诸如公用电话和/或数据网络之间起通信网关的作用；一个高速数据转换器40，对飞机12、14提供一种高速的数据链接，为此它从发送机38接收信号并将已转换的信号提供给BTS 32的主接收机34和分集接收机36。各种数据转换器都能与本发明的通信系统一起应用，虽然C-频段的转换器是优选的，但其它的转换器诸如K-频段和S-频段的转换器也能应用。

C-频段转换器40经由双向通信通路42与主天线44相连接，C-频段转换器40还经由双向通信链路46与辅用天线48相连接。虽然图中示出两个分立的天线44、48，但在本发明的范围内使用单个复用天线与飞机12、14相通信。地面通信系统30最好是现有的按照IS-95或IS-136无线通信标准操作的800MHz或1900MHz无线通信系统。虽然上述的一种无线通信系统是优选的，但本发明的“飞机到飞机”的转接协议可以使用许多其它类型的无线通信系统和标准。

参照图6，该图以方框图的形式示出服务飞机12的有效荷载80。可以理解，替换飞机14也包括相似的有效荷载80。如图所示，构成有效荷载80的通信硬件包括一个信号转发器82，其内含有信号控制/处理硬件，信号转发器82与连接到适当的C-频段天线86的一个C-频段信号发生器84进行双向通信。信号转发器82还与连接到适当的无线波束天线阵列90的一个无线波束信号发生器88进行双向通信。可以理解，C-频段天线86天线44、48相通信，天线44、48与相连接地面C-波段转换器40，而无线波束天线阵列90特别适合用于广播无线通信波束图型16、18。因为C-频段天线86和无线波束天线阵列90安装在每个飞机12、14的外部，所以它们最好用一个空气动力学的外罩92盖好。

参照图1，图中详细地绘出通信系统10的稳定状态操作的情况。在稳定状态操作期间，无线通信服务是由一个飞机例如服务飞机12提供的。飞机12、14最好在无线服务区上空约30,000至50,000英尺的高度处飞行。然而，本领域的技术人员将会容易地理解，飞机12、14可以在各种高度处飞行，这取决于系统的实施情况和飞机的能力。在无线通信系统稳定状态操作期间，两个C-频段地面天线44、48之中的一个用于地面的通信系统30与服务飞机12之间的馈送链路56。如图1所示，主用天线44正在使用中，还示出替换飞机14正在从机场50飞向预定的地理区域。在稳定状态操作期间，BTS 32从主接收机通路34上的服务飞机12接收转发信号。在地理区域20内的一个无线服务用户24可以察觉一个单路RF通信通路。据此，本发明的一个优点是一个现有的无线服务用户24可以与飞机12、14相通信，而无需对他们的电话或数据设备做任何修改。为以，飞机12、14所携带的通信硬件能与现有的陆地电话和数据网络相通信。

参看图2，该图示出准备执行“飞机到飞机”通信转接协议的情况。在转接准备期间，替换飞机14沿飞行路线飞到接近主用服务飞机12的位置。替换飞机14复制服务飞机12所发送的通信信号16为无线通信波束图型18。这个通信信号18从替换飞机14以低功率向地面广播，并且广播得可使无线通信波束图型18基本上与现有无线通信波束图型16相重叠。在通信波束图形16和18之间的重叠最好大于80％。例如，如果该重叠小于80％，则会有相当多的用户将需要越区切换到一个不同的波束。本发明的一个目标就是要在执行“飞机到飞机”转接期间使越区切换的数目减低到最少程度。

作为转接准备协议的一部分，两个地面天线44、48用于发送和接收往从飞机12、14的馈送链路通信信号56、58。飞机12、14在BTS 32与预定的地理区域20之间起信号转发器的作用。BTS 32在主接收机34经由主用天线44接收一个强信号和在分集接收机36经由辅用天线48接收一个弱信号。在转接准备期间因为通信信号16和通信信号18是在公用频段内发送的，所以在地理区域20内的一个无线用户24会察觉到多径接收条件。对于无线手机如CDMA手机而言，其内部的瑞克(RAKE)接收机有分辨各多径信号的功能。正如本技术领域所公知，CDMA无线手机的RAKE接收机具有分离和接收各多径信号(同一频率的两个信号)的能力。

参照图3，图中示出转接执行程序。在转接执行期间，替换飞机14增大其控制信号18的功率到正常幅度电平，而服务飞机降低其控制信号16的功率电平直至该控制信号再不能检测到时为止。在控制信号16的功率电平被衰减之前，控制信号18的功率电平可以增大到其正常功率电平。另一种可选择的方案是，可以在衰减信号16的功率电平的同时增加控制信号18的功率电平。在上下文中，术语“控制信号”是指话音业务和控制信号信息的集合。控制信号的功改率变可由飞机12、14所携带的硬件来执行。另一种可选择的方案是，控制信号的功率电平改率变可由地面的C-频段转换器40来执行。

在这一点上，C-频段地面天线44、48都用于馈送链路，在地理区域20内进行往/从无线用户24的广播/接收。最好是将从每个飞机12、14到无线用户24的用户链路以同一频率进行广播，使其对该用户建立或模拟一种多径条件表现为等同的，从而用单一手机的接收机就能同时接收到它们。尚且，这两个飞机正从无线用户24接收信号并转发回到地面天线44、48。再有，BTS 32的两个接收机34、36正从飞机12、14接收多径信号。随着来自服务飞机12的控制信号功率的衰落和来自替换飞机14的控制信号功率的增加，BTS 32从主接收机34切换到分集路径接收机36并将通信会话有效地从服务飞机12转换或切换到替换飞机14。在这种情况下，由BTS32所接收的控制信号有很小的频率和时间上的偏移。从无线用户的角度来看，也有很小的频率和时间上的偏移。具体地说，这意味着“飞机到飞机”的转接对于用户手机24是透明的并且在在预定的地理区域20内的无线用户不会察觉到从主接收机34到分集路径接收机36的切换。

参照图4，该图示完成“飞机到飞机”的通信转接协议的情况。在从服务飞机12到替换飞机14的转接协议完成之后，替换飞机14就被认为是主用服务和通信的飞机。这时操作再一次显现为正常的稳定状态操作。基站32正在辅用天线48上接收控制信道56。在转接协议完成之后，基站32继续在分集路径接收机36上接收信号，或如图所示，C-频段转换器40可将信号接收从分集接收机36切换到主接收机34。从飞机14到天线48的这条通信链路如实线56所示，而从天线48到BTS 32的主接收机34的通信链路如虚线54所示。此外，如图所示承载馈送链路56的责任已从主天线44切换到辅用天线48。

虽然本发明是在一个双飞机系统的上下文内描述的，但本领域的技术人员会容易地理解，单个飞机12也能用于在服务区20内为用户24提供通信服务。飞机12打算包括能够保持覆盖服务区20的任何类型的飞机，但不限于还包括在飞行时有加油能力的无人驾驶的飞机。此外，本发明的转接协议可在两个不同类型的飞机之间进行。

参照图5，图中示出构成本发明的“飞机到飞机”转接协议的各事件的有关定时流程。在方框60，替换飞机到达已准备就绪来启动无线服务的基站。在方框62，BTS 32将相同的前向链路信号56、58(内含控制信号信息)分别发送给两个飞机12、14，给替代飞机14的信息由C-频段转换器40衰减。在方框64，两飞机12、14将前向链路信号(或用户链路信号)发送到地理区域20。同样，两飞机12、14从无线用户接收上行链路信号并将这些信号发送给BTS 32。在方框66，无线用户24的手机从两飞机12、14接收信号并应用其多径分辨器(即RAKE接收机)来处理这些信号和分辨多径条件。该用户手机按标准进行发送且无需作任何修改。

在方框68，BTS 32从两飞机12、14接收信号并使用BTS分集输入34、36来处理这些信号。在方框70，C-频段转换器40缓慢地改变发送信号的相对功率，降低从服务飞机12来的信号幅度，增大从替代飞机14来的信号幅度。另一种可选择的方案是，改变相对功率可由每个飞机12、14所载带的信号控制和处理硬件82来处理。接着在方框72，用户手机随着有关信号电平的变化来修正其多径分辨器。如果从替代飞机14所发送的不同波束的控制信道(前向链路信号)变得比服务飞机12来的控制信道强些，则要求进行“波束到波束”的越区切换。

在方框74，地面C-频段转换器40足够缓慢地改变相对幅度，以便准许越区切换请求。凡在两飞机的信号电平之间有太大的差别时，转换器40便停止向原始服务飞机12的发送。最后在方框76，“飞机到飞机”的转接过程完成。原始服务飞机12停止向BTS 32发送上行链路信号，还停止向地理区域20发送前向链路信号。

本发明在标准的基站应用分集输入来处理从两个单独飞机来的两个通信输入。本发明的有关通信转接协议考虑到缓慢地改变送至BTS的相对功率，从而迫使进行从旧的波束图型或波束结构向新波束图型或波束结构的转接透明化。本发明的通信协议还允许向飞机以不同的极化方式传送两种信号。

本发明允许服务提供者快速地覆盖很大的地理区域，而无需采用跨越该地域的多个基站。这允许尽早地进入新的市场，并易于在开始应用之后进行系统扩展。这还能在无需改变无线基础设施和用户手机的条件下实现。本发明借助于将地面无线基础设施与飞机携载的很高高度转发器相链接来提供宽地理区域的覆盖。业已描述了作为本发明的一部分的一种用以将基于飞机的无线通信系统中的“飞机到飞机”转接的丢失呼叫的影响减至最小程度的技术。如上所述，这种技术涉及到从两架飞机同时地发送控制信道可同时改变控制信道的功率(幅度)电平。

本发明所提供的宽域覆盖可在一个中心点定位无线通信系统的基础设施设备，从而节省投资费用。服务提供者无需购买土地、建筑物或天线铁塔来安装几百个收发信基站以便覆盖服务区域。相反，无线运营者只需简单地安装一个移动交换中心和陆地使用所需的少量的BTS设备。

本发明的所有无线通信基本结构设施的中心位置允许无线运营商以更少机组人员来操作和维护该系统。尚且，无线运营者可以节省各种投资费用(各中继线、测试设备等)和各种重复费用(巡视各站点的人员)，而这本来是操作和维护地理区域分散的各种设施所需要的费用。

本发明的无线通信系统通过填补陆地使用所遗留的任何覆盖漏洞和通过扩充覆盖那些利用地面站点很不经济的城郊和乡村地区，实施了陆地覆盖。与典型地面应用的站点缓慢扩展相比，在一个新的系统中本发明可以对整个服务区提供及时的覆盖。

本发明还能够为其它数字无线技术诸如个人通信业务(PCS)1900、IS-95码分多址(CDMA)、IS-136时分多址(TDMA)、全球移动通信系统(GSM)和集成的数字增强网络(DEN)等通信技术提供各种服务。此外，本发明还能用于第三代无线通信系统诸如通用移动电信系统(UMTS)或CDMA-2000系统以及宽带数据系统诸如本地多点分布系统(LMDS)。

上文讨论公开和描述了本发明的范例性实施例，本领域的技术人员很容易从上文的讨论和所附的附图以及权利要求书中意识到在不背离权利要求书所规定的本发明的精神和范围的条件下还可以做出各种变更、修改和变型。